 | Эта статья читается как учебник и может потребовать очистки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, чтобы сделать ее нейтральной по тону и соответствовать стандартам качества Википедии . ( Август 2020 г. ) |
В химии , в структурный изомер (или конституционно - изомера в IUPAC номенклатуре [1] ) из соединения является еще одним соединением молекула которого имеет такое же число атомов каждого элемента, но с логически различных связей между ними. [2] [3] Термин « метамер» раньше использовался для обозначения того же понятия. [4]
Например, бутанол H
3C - (CH
2)
3–OH, метилпропиловый эфир H
3C - (CH
2)
2–O– CH
3, и диэтиловый эфир ( H
3C - CH
2-) 2 O имеют одинаковую молекулярную формулу C
4ЧАС
10O, но представляют собой три различных структурных изомера.
Эта концепция применима также к многоатомным ионам с таким же полным зарядом. Классический пример - цианат- ион O = C = N - и фульминат- ион C - ≡N + O - . Он также распространяется на ионные соединения, так что (например) цианат аммония [ NH
4] + [O = C = N] - и мочевина ( H
2N -) 2 C = O считаются структурными изомерами [4], как и формиат метиламмония [ H
3C - NH
3] + [ HCO
2] - и ацетат аммония [ NH
4] + [ H
3C - CO
2] - .
Структурная изомерия - наиболее радикальный вид изомерии . Это противоположно стереоизомерии , в которой атомы и схема связи одинаковы, но отличается только относительное пространственное расположение атомов. [5] [6] Примерами последних являются энантиомеры , молекулы которых являются зеркальным отображением друг друга, а также цис- и транс- версии 2-бутена .
Среди структурных изомеров можно выделить несколько классов, включая скелетные изомеры , позиционные изомеры (или региоизомеры ), функциональные изомеры , таутомеры и структурные топоизомеры . [7]
Скелетная изомерия [ править ]
Скелетной изомер соединения является структурным изомером , который отличается от него атомов и связей, которые считаются включает «скелет» молекулы. Для органических соединений , таких как алканы , это обычно означает атомы углерода и связи между ними.
Например, существует три скелетных изомера пентана : н- пентан (часто называемый просто «пентаном»), изопентан (2-метилбутан) и неопентан (диметилпропан). [8]
| n - Пентан | Изопентан | Неопентан |
Если скелет ациклический , как в приведенном выше примере, можно использовать термин изомерия цепи .
Позиционная изомерия (региоизомерия) [ править ]
Позиционные изомеры (также позиционные изомеры или региоизомеры ) представляют собой структурные изомеры, которые можно рассматривать как различающиеся только положением функциональной группы , заместителя или некоторого другого признака в «родительской» структуре. [9]
Например, замена одного из 12 атомов водорода –H гидроксильной группой –OH в исходной молекуле н- пентана может дать любой из трех различных изомеров положения:
| Пентан-1-ол | Пентан-2-ол | Пентан-3-ол |
Функциональная изомерия [ править ]
Функциональные изомеры - это структурные изомеры, которые имеют разные функциональные группы , что приводит к значительно различным химическим и физическим свойствам. [10]
Примером может служить пара пропанал H 3 C – CH 2 –C (= O) -H и ацетон H 3 C – C (= O) –CH 3 : первая имеет функциональную группу –C (= O) H, которая делает его альдегидом , тогда как второй имеет группу C – C (= O) –C, что делает его кетоном .
Другой пример - пара этанол H 3 C – CH 2 –OH ( спирт ) и диметиловый эфир H 3 C – O – CH 2 H ( эфир ). Напротив, 1-пропанол и 2-пропанол являются структурными изомерами, но не функциональными изомерами, поскольку они имеют одну и ту же важную функциональную группу ( гидроксил -ОН) и оба являются спиртами.
Помимо различного химического состава, функциональные изомеры обычно имеют очень разные инфракрасные спектры . Инфракрасный спектр в значительной степени определяется режимами колебаний молекулы, а функциональные группы, такие как гидроксил и сложные эфиры, имеют очень разные режимы колебаний. Таким образом, 1-пропанол и 2-пропанол имеют относительно схожие инфракрасные спектры из-за гидроксильной группы, которая значительно отличается от группы метилэтилового эфира. [ необходима цитата ]
Структурные изотопомеры [ править ]
В химии обычно игнорируют различия между изотопами одного и того же элемента. Однако в некоторых ситуациях (например, в рамановской спектроскопии , ЯМР или микроволновой спектроскопии ) можно рассматривать разные изотопы одного и того же элемента как разные элементы. Во втором случае две молекулы с одинаковым числом атомов каждого изотопа, но с разными схемами связи называются структурными изотопомерами .
Таким образом, например, этен не будет иметь структурных изомеров согласно первой интерпретации; но замена двух атомов водорода ( 1 H) атомами дейтерия ( 2 H) может дать любой из двух структурных изотопомеров (1,1-дидейтероэтен и 1,2-дидейтероэтен), если оба атома углерода являются одним и тем же изотопом. Если, кроме того, два атома углерода различные изотопы (например, 12 ° С и 13 С), было бы три различных структурных изотопомеров, так как 1- 13 С-1,1-dideuteroethene будет отличаться от 1- 13 С-2 , 2-дидейтероэтен.) И в обоих случаях 1,2-дидейтероструктурный изотопомер может встречаться в виде двух стереоизотопомеров, циси пер .
Структурная эквивалентность и симметрия [ править ]
Структурная эквивалентность [ править ]
Один говорит, что две молекулы (включая многоатомные ионы) A и B имеют одинаковую структуру, если каждый атом A может быть спарен с атомом B того же элемента взаимно однозначным образом, так что для каждой связи в А в В существует связь того же типа между соответствующими атомами; наоборот. [3] Это требование распространяется также на сложные связи, которые включают три или более атомов, такие как делокализованные связи в молекуле бензола и других ароматических соединениях.
В зависимости от контекста может потребоваться, чтобы каждый атом был спарен с атомом того же изотопа, а не только одного и того же элемента.
В таком случае две молекулы можно назвать структурными изомерами (или, если изотопы имеют значение, структурными изотопомерами), если они имеют одинаковую молекулярную формулу, но не имеют одинаковой структуры.
Структурная симметрия и эквивалентные атомы [ править ]
Структурная симметрия молекулы может быть определена математически как перестановка атомов, которая меняет местами по крайней мере два атома, но не меняет структуру молекулы. В таком случае два атома можно назвать структурно эквивалентными, если существует структурная симметрия, которая переводит их друг в друга. [11]
Так, например, все четыре атома водорода метана структурно эквивалентны, потому что любая их перестановка сохранит все связи молекулы.
Точно так же все шесть атомов водорода этана ( C
2ЧАС
6) структурно эквивалентны друг другу, как и два атома углерода; потому что любой водород может быть заменен любым другим, либо перестановкой, которая меняет местами только эти два атома, либо перестановкой, которая меняет местами два атома углерода и каждый водород в одной метильной группе с другим водородом на другом метиле. Любая операция сохраняет структуру молекулы. Это также относится к атомам водорода циклопентана , аллена , 2-бутина , гексаметилентетрамина , присмана , кубана , додекаэдрана и т. Д.
С другой стороны, не все атомы водорода пропана структурно эквивалентны. Шесть атомов водорода, присоединенных к первому и третьему атомам углерода, эквивалентны, как в этане, а два атома, присоединенных к среднему атому углерода, эквивалентны друг другу; но между этими двумя классами эквивалентности нет эквивалентности .
Симметрия и позиционная изомерия [ править ]
Структурные эквивалентности между атомами исходной молекулы уменьшают количество позиционных изомеров, которые могут быть получены путем замены этих атомов другим элементом или группой. Так, например, структурная эквивалентность шести атомов водорода этана C
2ЧАС
6означает, что существует только один структурный изомер этанола CH
5ОН , а не 6. Восемь атомов водорода пропана С
3ЧАС
8делятся на два класса структурной эквивалентности (шесть по метильным группам и два по центральному углероду); поэтому существует только два позиционных изомера пропанола ( 1-пропанол и 2-пропанол ). Точно так же есть только два позиционных изомера бутанола и три изомера пентанола или гексанола .
Нарушение симметрии заменами [ править ]
Как только в родительской молекуле производится замена, ее структурная симметрия обычно снижается, а это означает, что атомы, которые ранее были эквивалентными, могут перестать быть таковыми. Таким образом, замещение двух или более эквивалентных атомов одним и тем же элементом может дать более одного позиционного изомера.
Классический пример - производные бензола . Все его шесть атомов водорода структурно эквивалентны, как и шесть атомов углерода; потому что структура не изменяется, если атомы переставляются таким образом, чтобы это соответствовало переворачиванию молекулы или ее повороту на величину, кратную 60 градусам. Следовательно, замена любого водорода хлором дает только один хлорбензол . Однако с этой заменой перестановки атомов, которые переместили этот водород, больше не действительны. Остается только одна перестановка, которая соответствует переворачиванию молекулы с сохранением фиксированного хлора. Затем пять оставшихся атомов водорода попадают в три различных класса эквивалентности: один, противоположный хлору, является отдельным классом (называемым параграфом).положение), два наиболее близких к хлору образуют другой класс ( орто ), а оставшиеся два - третий класс ( мета ). Таким образом, второе замещение водорода хлором может дать три позиционных изомеров: 1,2- или орто - , 1,3- или мета - и 1,4- или пункт -dichlorobenzene .
| орто- дихлорбензол | мета- дихлорбензол | пара- дихлорбензол |
| 1,2-дихлорбензол | 1,3-дихлорбензол | 1,4-дихлорбензол |
По той же причине существует только один фенол (гидроксибензол), но три бензолдиола ; и один толуол (метилбензол), но три толуола и три ксилола .
С другой стороны, вторая замена (тем же заместителем) может сохранить или даже повысить симметрию молекулы и, таким образом, может сохранить или уменьшить количество классов эквивалентности для следующей замены. Таким образом, четыре оставшихся атома водорода в мета- дихлорбензоле по-прежнему делятся на три класса, в то время как атомы орто - попадают в два, а атомы пара - снова эквивалентны. Тем не менее, некоторые из этих 3 + 2 + 1 = 6 замен в конечном итоге дают ту же структуру, поэтому существует только три структурно различных трихлорбензола : 1,2,3- , 1,2,4- и 1,3,5- .
| 1,2,3-трихлорбензол | 1,2,4-трихлорбензол | 1,3,5-трихлорбензол |
Если заместители на каждой стадии разные, обычно структурных изомеров будет больше. Ксиленол , который представляет собой бензол с одним гидроксильным заместителем и двумя метильными заместителями, имеет всего 6 изомеров:
| 2,3-ксиленол | 2,4-ксиленол | 2,5-ксиленол |
| 2,6-ксиленол | 3,4-ксиленол | 3,5-ксиленол |
Подсчет и подсчет изомеров [ править ]
Подсчет или подсчет структурных изомеров в целом является сложной задачей, поскольку необходимо учитывать несколько типов связей (включая делокализованные), циклические структуры и структуры, которые невозможно реализовать из-за валентных или геометрических ограничений, а также неразделимые таутомеры.
Например, существует девять структурных изомеров с молекулярной формулой C 3 H 6 O, имеющих различные связи связи. Семь из них устойчивы на воздухе при комнатной температуре, и они приведены в таблице ниже.
| Химическое соединение | Молекулярная структура | Точка плавления (° C) | Кипение точка (° С) | Комментарий |
|---|---|---|---|---|
| Аллиловый спирт | –129 | 97 | ||
| Циклопропанол | 101–102 | |||
| Пропионовый альдегид | –81 | 48 | Таутомер с проп-1-ен-1-олом, который имеет как цис-, так и транс- стереоизомерные формы | |
| Ацетон | –94,9 | 56,53 | Таутомера с пропен-2-олом | |
| Оксетан | –97 | 48 | ||
| Окись пропилена | –112 | 34 | Имеет две энантиомерные формы | |
| Метилвиниловый эфир | –122 | 6 |
Два структурных изомера представляют собой енольные таутомеры карбонильных изомеров (пропионовый альдегид и ацетон), но они нестабильны. [12]
См. Также [ править ]
- Координационная изомерия
- Стереоизомер
- Метамеризм
Ссылки [ править ]
- ^ "Конституционная изомерия" . Золотая книга ИЮПАК . ИЮПАК . Проверено 19 июля 2018 года .
- ^ Фредерик А. Беттельхейм, Уильям Х. Браун, Мэри К. Кэмпбелл, Шон О. Фаррелл (2009): Введение в органическую и биохимию . 752 страницы. ISBN 9780495391166
- ^ a b Питер П. Мумба (2018): Полезные принципы химии для студентов сельского хозяйства и медсестер , 2-е издание. 281 стр. ISBN 9781618965288
- ^ a b Уильям Ф. Байнум, Э. Джанет Браун, Рой Портер (2014): Словарь истории науки . 530 страниц. ISBN 9781400853410
- ^ Джим Кларк (2000). «Структурная изомерия» в Chemguide , nl
- ^ Поппе, Ласло; Надь, Йожеф; Хорнянский, Габор; Борос, Золтан; Михай, Ногради (2016). Стереохимия и стереоселективный синтез: Введение . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. С. 26–27. ISBN 978-3-527-33901-3.
- ^ D. Brynn Хибберт, М. Джеймс (1987): Macmillan словарь по химии . 532 страницы. ISBN 9781349188178
- ^ Зденек Сланина (1986): Современная теория химической изомерии . 254 страницы. ISBN 9789027717078
- ^ Х. Стивен Стокер (2015): Общая, органическая и биологическая химия , 7-е издание. 1232 страницы. ISBN 9781305686182
- ^ Барри Г. Хинвуд (1997): Учебник науки для медицинских профессий . 489 страниц. ISBN 9780748733774
- ^ Жан-Лу Фаулон, Андреас Бендер (2010): Справочник по алгоритмам хемоинформатики . 454 страницы. ISBN 9781420082999
- ^ Справочник CRC по химии и физике 65-е изд.
